JP2006212467A

JP2006212467A - 有機性廃棄物の処理方法

Info

Publication number: JP2006212467A
Application number: JP2005024773A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Sawayama; 茂樹澤山; Kenichiro Tsukahara; 建一郎塚原; Chika Tada; 千佳多田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2005-02-01
Filing date: 2005-02-01
Publication date: 2006-08-17

Abstract

【課題】有機性廃棄物を対象とした湿式嫌気性消化法において、よりガス化効率を向上させる方法及びその装置を提供する。
【解決手段】
有機性廃棄物からなる被処理物を、光照射条件下で嫌気的に高温消化処理する湿式消化方法において、光源として発光ダイオードを用いることを特徴とし、有機性廃棄物は発光ダイオードを光源とした光の照射を受けながら高温嫌気的消化処理を受ける。
【選択図】なし

Description

本発明は、家庭・レストラン・工場・下水処理場等から排出される有機性廃棄物を、直接、嫌気性消化槽を用い光照射条件下で高温で嫌気的に湿式発酵させることにより、廃棄物中の有機物を迅速に分解・消化処理方法及びその装置に関する。

生ごみ等有機性廃棄物の処理方法として、嫌気性消化が注目されるようになっている。しかし、従来の嫌気性消化法では、有機物分解速度、消化ガス生成速度は十分に高くないという問題点があり、そのため、ある程度大きな消化槽を用意する必要があった。分解速度が速くなれば、消化槽がよりコンパクトにでき、経済性・エネルギー収支等の向上が期待できる。

これらの問題点を解消するために、活性汚泥方式で発生する汚泥の余剰部分を、高温嫌気性消化処理し、該処理液を固液分離膜を通して循環させ、該分離膜を通して水分を抜き取ることを特徴とする有機性汚泥の処理方法が提案されているが（特許文献１）、この方法は、従来の高温型嫌気性消化法であり、十分に消化効率が上がらないという問題があった。

また、消化汚泥を主体とする混合液を嫌気性消化リアクターから引き抜き循環・返送する過程で熱処理する方法が提案されているが（特許文献２）、この方法は、消化汚泥を高温で処理して物理化学的に消化汚泥の構造を破壊しようとしたものであり、嫌気性消化槽そのものの性能を向上させる方法ではなく、消化効率が十分に上がらないという問題はのこる。

また、セラミック担体を用いた光照射条件嫌気性消化法が報告されているが（特許文献３〜４）、本法は廃水を対象とする湿式嫌気性消化法であり、メタンガス生成速度を向上させる方法ではなく、消化効率が十分に上がらないという問題はのこる。

一方、光合成細菌のみを用いた廃水浄化も検討されているが、光合成細菌は分解できる有機物が限られており固形状の有機性廃棄物の分解は難しく、処理範囲が極めて限定されていた。光合成細菌は、水素生産、化学品原材料、飼料、肥料として利用できることが知られているが、その培養には有機酸等が必要であり、安価に生産することは難しかった。

本発明者らは、先に、有機性廃水／又は有機性廃棄物を（ｉ）酸発酵性微生物及び／又はメタン発酵性微生物及び（ｉｉ）光合成細菌を含有する嫌気性粒状汚泥の存在下、光照射条件下で嫌気的に消化する方法（特許文献５）を提案している。この方法は、光照射条件で嫌気性消化を行う方法であり、中温条件で光合成細菌の増殖を促進し、アンモニア除去が向上するといった利点を有するものであるが、その後の本発明者らの検討によれば、メタンガスの生成速度の向上を図ることが困難であることが判明した。
なお、本発明者らは、有機性固形廃棄物を乾式嫌気性消化する際に、光照射下で分解する方法を提案しているが（特許文献６）、この方法は、本発明のように、有機性廃棄物を湿式消化するものではなかった。

特開平０７−１４８５００号公報特開平１０−０８５７８４号公報特公平７−９６１１８号公報特公平７−９６１１９号公報特開平２０００−１５３２９２号公報特開２００３−５３３０９号公報

このような事情に鑑み、本発明者らは、有機性廃棄物からなる被処理物を嫌気的に湿式消化する方法において、該被処理物の少なくとも一部を光照射条件下で高温消化処理することを特徴とする有機性廃棄物の処理する方法（特願２００３−３３２８１０）を提案している。本提案は、光照射により高温嫌気性消化を促進する方法に関するが、効率の良い光照射方法を提示していなかった。

本発明は、前記のような従来法とは異なり、有機性廃棄物を嫌気性消化により効率よく分解・ガス化し、光合成細菌の増殖を抑制しながら有機性廃棄物中の有機物を迅速に分解・消化処理しガス化率を向上し、メタンの生成効率を高めると共にアンモニアやリン酸を含有した有機性肥料を効率的に提供するできる有機性廃棄物の処理方法及びその装置を提供する。

本発明者は、前記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は以下のとおりである。
（１）有機性廃棄物からなる被処理物を、光照射条件下で嫌気的に高温消化処理する湿式消化方法において、光源として発光ダイオードを用いることを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
（２）一部もしくは全部を光透過性とした消化汚泥循環配管外の光透過性部位、及び又は、一部もしくは全部を光透過性とした嫌気性消化槽外の光透過性部位に、発光ダイオードを具備することを特徴とする上記（１）に記載の有機性廃棄物の処理方法。
（３）消化汚泥循環配管内及び又は嫌気性消化槽内に、発光ダイオードを具備することを特徴とする上記（１）に記載の有機性廃棄物の処理方法。
（４）廃棄物貯留タンクからの廃棄物を原料廃棄物配管により、嫌気性消化槽に導き、高温消化処理して、所望により消化汚泥の一部を、消化汚泥循環配管を用いて嫌気性消化槽内で循環させ、発生したガスを消化ガス配管により取り出して、消化ガス貯留タンクに導き、消化処理物を処理物配管により、処理物貯留タンクに導く高温嫌気性消化法装置において、消化汚泥循環配管の一部もしくは全部を光透過性とし消化汚泥循環配管の外側の光透過性部位に、及び又は、嫌気性消化槽の一部もしくは全部を光透過性とし嫌気性消化槽の外側の光透過性部位に、発光ダイオードを設けた高温嫌気性消化法装置。
（５）廃棄物貯留タンクからの廃棄物を原料廃棄物配管により、嫌気性消化槽に導き、高温消化処理して、所望により消化汚泥の一部を、消化汚泥循環配管を用いて嫌気性消化槽内で循環させ、発生したガスを消化ガス配管により取り出して、消化ガス貯留タンクに導き、消化処理物を処理物配管により、処理物貯留タンクに導く高温嫌気性消化法装置において、嫌気性消化槽の内部に、発光ダイオードを設けた高温嫌気性消化法装置。

本発明は前記のような構成であり、有機性廃棄物は発光ダイオードを光源とした光の照射を受けながら高温嫌気的消化処理を受ける。この消化処理により、廃棄物中の有機物は従来の暗条件の嫌気性消化に比べ、メタン発酵性微生物の持つメタン化活性が光照射によって活性化されるので、メタンガスがより迅速に発生する。

本発明でいう、嫌気性消化とは、酸素のない嫌気的な条件で嫌気性微生物の働きにより、有機物からメタンと二酸化炭素を生成させる方法をいう。
また、本発明において高温消化処理とは、上記嫌気性消化処理を45℃以上の高温、好ましくは45〜70℃更に好ましくは50〜60℃で行う消化法を意味する。湿式嫌気性消化とは原料の水分含量を80%以上に調整して消化を行う方法で、原料の水分含量を80%以下に調整して消化を行う乾式嫌気性消化とは明確に区別される方法である。

また、本明細書で言う酸発酵性微生物とは、嫌気性消化において有機酸等を生成する微生物を意味し、Bacteroides sp.、Clostridium sp.、Bacillus sp.、Lactobacillus sp.等があげられる。メタン発酵性微生物とは、嫌気性消化においてメタンを生成する微生物を意味し、Methanothermobacter sp.,Methanosarcina sp.、Methanosaeta sp.等があげられる。両者とも従来よく知られているものである。

本発明のいう発光ダイオードは、LED (light emitting diode)とも言われ、電気が直接光になる「エレクトロルミネッセンス(EL)」と言う現象を利用して、発光させる装置を意味する。白熱灯は副産物として熱を発生するためエネルギーの無駄が多いが、発光ダイオードは電気を直接光に変えているので、エネルギー効率がよいと言う特徴を持つ。

本発明の処理対象となる有機性液状廃棄物には、家庭・レストラン・食品工場等から排出される食品残滓や排水および発酵工場等で排出される発酵残滓や排水、下水処理場・食品工場・浄化槽等で廃水処理後排出される有機性汚泥一般、落ち葉や剪定枝なその植物性バイオマス、古紙類などを意味する。

本発明の方法を実施するには、消化槽内で高温性嫌気性消化汚泥と原料の有機性廃棄物を混合し、好ましくは含水率50〜99.9%、望ましくは85〜98%に調整し、45℃以上望ましくは45〜70℃更に好ましくは50〜60℃で湿式嫌気性消化処理させる。湿式嫌気性消化の方法は、固定化担体を用いても用いなくても、膜分離等の消化汚泥濃縮装置を付けても付けなくても構わない

この場合、本発明においては、この消化槽の一部を光が透過可能な材質で作成し光が消化槽に到達できるようにし、発光ダイオードの人工光を1〜2000μE/m²/s望ましくは50〜200μE/m²/sの強度で照射する。消化槽に一部もしくは全体が光り透過性の消化汚泥循環配管を設置し、発光ダイオードの光を照射しても良い。内部光源の場合は、消化槽の一部を光が透過可能な材質で作成する必要はない光照射する時間は、連続でも明暗サイクルでもかまわない。発光ダイオードの光波長は、300〜1100 nm、望ましくは400〜600 nmにする。
この場合、高温条件で光照射型嫌気性消化を行うと、中温条件下のように光合成細菌の増殖はほとんどなく、メタン光合成細菌の増殖量が著しく抑制されるため、中温条件下にみられる光合成細菌増殖による有機物の還元等に起因するバイオガス生成量の減少が起きない。さらに、光照射によりメタン発酵性微生物の活性が上昇し、暗条件に比べバイオガスの発生量が増加する。

嫌気性消化汚泥としては、酸発酵性微生物やメタン発酵性微生物を含有する下水汚泥の嫌気性消化に使用される通常の嫌気性消化汚泥や、既存の嫌気性消化汚泥に別途培養したものを使用することができる。

前記のようにして、有機性廃棄物を酸発酵性微生物やメタン発酵性微生物を若干含有した嫌気性消化汚泥を用い、発光ダイオードを用いた光照射条件下で嫌気的に湿式消化処理すると、有機物が分解されてガス化し、嫌気性消化残滓が得られる。その時発生する嫌気性消化残滓は、窒素やリンなどの肥料成分を多く含み、発酵が進んでいるので有機性肥料として利用することが可能である。
また、好気的なコンポスト法によって生産された有機性肥料中の塩分が問題となる場合があるが、本法では発酵残滓は固液分離後固相部が有機性肥料となり、塩分は液相部中に多く含まれるため、本法により得られる有機性肥料はコンポスト法による有機性肥料に比べ塩分濃度が低いという利点を有する。

また、消化時に発生するメタンは、ボイラー燃料、消化ガス発電、マイクロガスタービンや水素への改質後燃料電池の燃料として利用することが出来る。

次に、本発明について図面を参照しながら詳述する。
図１は本発明を実施する場合のフローシートを示す。
図１において、１は有機性廃棄物貯留タンク、２は有機性廃棄物配管、３は嫌気性消化槽、４は発光ダイオード、５は消化汚泥循環配管、６は消化ガス配管、７は消化ガス貯留タンク、８は処理物配管、９は処理物貯留タンクを各示す。

図１に従って本発明を実施するには、有機性廃棄物貯留タンク１より有機性廃棄物配管２を通って、メタン発酵を生じさせる微生物を含有する嫌気性汚泥を入れた嫌気性消化槽３に有機性廃棄物と嫌気性汚泥たとえば返送した処理汚泥を供給・混合する。
メタン発酵を生じさせる微生物を含有する嫌気性汚泥としては、前記したように、下水処理場の下水汚泥の嫌気性消化汚泥等を使用すればよい。この場合、この嫌気性消化槽３は、その一部が光透過性を有し、槽内の廃棄物は外部の発光ダイオード４の照射を受けるような構造となっている。消化汚泥循環配管５を設置し、その配管の一部もしくは全体を光透過性として、消化汚泥に発光ダイオードの光を照射しても良い。また、嫌気性消化槽３内に、発光ダイオードを設置してもよい。

この嫌気性消化槽３において、廃棄物は光の照射を受けながら高温湿式嫌気性消化処理を受ける。この消化処理により、廃棄物中の有機物は従来の暗条件の高温嫌気性消化に比べ、より迅速に安定的に分解消化されメタンを発生する。本発明の場合、光照射によりメタン発酵性微生物が活性化され、従来の暗条件に比べ有機物分解速度及び消化ガス化速度の向上が達成される。

本発明に係る嫌気性消化槽は、槽内の汚泥を撹拌し発酵反応を促進させるために、撹拌装置を具備させることが望ましい。また、光照射手段として外部光源を利用する場合は消化槽の透明な部分の内壁に微生物等が付着し槽内の光透過性が低下する恐れがあるので、この内壁付着物を除くために、掻落手段を設けておくことが望ましい。

また、嫌気性消化槽３内で発生したメタンを含む消化ガスは消化ガス配管６を通って消化ガス貯留タンク７に貯留される。この場合の消化ガスは、通常CH₄:50〜100モル％、CO₂:0〜50モル％、H₂:0〜10モル％を含有する。

一方、嫌気性消化槽３で得られた消化物は処理物配管８を通って処理物貯留タンク９に貯留される。

処理物は、窒素やリンなどの肥料成分を多く含み、発酵が進んでいるので、そのまま又は加工して有機性肥料として利用することができる。また、処理物の溶存有機物の濃度は原料に比べて低下しており、廃液として必要に応じて水処理の後、下水道や環境中に放出しても良い。前記液相部（廃水）は、通常溶存有機物や溶存無機物の濃度の低いものであり、必要に応じ廃水処理後放流される。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。

実施例１
500 ml容量のガラス瓶に、消化汚泥と酢酸・グルコース培地の混合物を400 ml加えた。密閉後内部のガスを窒素で置換してガラス瓶内を嫌気性にした。上部から、青色LEDまたは赤色LEDを用いて1200 luxの強度で光照射した。ガラス瓶を、55℃で28日間培養した。ガラス瓶から発生しガスバックにためた消化ガス生成量をシリンジで測定し、メタン濃度はガスクロで測定した。

比較例１
光照射を行わない以外は実施例１に同様な処理を行い、メタンガス生成量を測定しながら培養した。

［実施例１と比較例１の実験結果およびその考察］
リアクターに光を照射しない比較例１では、培養28日後のメタンガス生成量は150 mlであったのに対し、実施例１のリアクターを赤色または青色LEDで光照射しながら嫌気性消化したガラス瓶からはそれぞれ402 ml、366 mlのメタンが発生した。光照射した実施例ではメタン発酵微生物の酵素反応が光活性化され、暗条件より消化ガス生成量が増大したと考えられる。また、高温条件では光合成細菌の増殖が抑えられ、還元力が光合成細菌に利用されることがない。

これらの実験結果から、湿式嫌気性消化槽に高温発行条件下にて発光ダイオードにより光照射すると、メタン化が促進され、有機性廃棄物の分解速度やガス化速度が向上することがわかる。

本発明の有機性廃棄物の処理方法及びその装置は、従来の装置をそのまま利用することが出来、産業上の利用可能性が極めて高いものである。

本発明に係る有機性廃物の光嫌気性消化装置の説明図である。

符号の説明

１．廃棄物貯留タンク
２．原料廃棄物配管
３．嫌気性消化槽
４．発光ダイオード
５．消化汚泥循環配管
６．消化ガス配管
７．消化ガス貯留タンク
８．処理物配管
９．処理物貯留タンク

Claims

有機性廃棄物からなる被処理物を、光照射条件下で嫌気的に高温消化処理する湿式消化方法において、光源として発光ダイオードを用いることを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
一部もしくは全部を光透過性とした消化汚泥循環配管外の光透過性部位、及び又は、一部もしくは全部を光透過性とした嫌気性消化槽外の光透過性部位に、発光ダイオードを具備することを特徴とする請求項１に記載の有機性廃棄物の処理方法。
消化汚泥循環配管内及び又は嫌気性消化槽内に、発光ダイオードを具備することを特徴とする請求項１に記載の有機性廃棄物の処理方法。
廃棄物貯留タンクからの廃棄物を原料廃棄物配管により、嫌気性消化槽に導き、高温消化処理して、所望により消化汚泥の一部を、消化汚泥循環配管をもちいて嫌気性消化槽内で循環させ、発生したガスを消化ガス配管により取り出して、消化ガス貯留タンクに導き、消化処理物を処理物配管により、処理物貯留タンクに導く高温嫌気性消化法装置において、消化汚泥循環配管の一部もしくは全部を光透過性とし消化汚泥循環配管の外側の光透過性部位に、及び又は、嫌気性消化槽の一部もしくは全部を光透過性とし嫌気性消化槽の外側の光透過性部位に、発光ダイオードを設けた高温嫌気性消化法装置。
廃棄物貯留タンクからの廃棄物を原料廃棄物配管により、嫌気性消化槽に導き、高温消化処理して、所望により消化汚泥の一部を、消化汚泥循環配管を用いて嫌気性消化槽内で循環させ、発生したガスを消化ガス配管により取り出して、消化ガス貯留タンクに導き、消化処理物を処理物配管により、処理物貯留タンクに導く高温嫌気性消化法装置において、嫌気性消化槽の内部に、発光ダイオードを設けた高温嫌気性消化法装置。